Cómo los hilos invisibles de la Red Cósmica dan forma a las galaxias.

Una simulación por computadora de cómo se ven el gas y las estrellas en un cúmulo de galaxias, destacando cómo los cúmulos de galaxias están incrustados en una red cósmica de filamentos. En las imágenes a color, la intensidad y el color de la imagen representan la densidad y la temperatura del gas. Estas figuras muestran zooms sucesivos sobre una galaxia incrustada en un filamento. Siguiendo en sentido contrario a las agujas del reloj desde la parte superior derecha, las barras de escala representan longitudes de 3,3 millones de años luz, 3,3 millones de años luz, 330 mil años luz, 33 mil años luz. La imagen en la parte inferior derecha muestra las estrellas en las galaxias de este cúmulo simulado, con la barra de escala correspondiente a 330 mil años luz. El programa WISESize utilizará observaciones para medir la distribución espacial de gas y estrellas en galaxias a medida que se mueven a través de la red cósmica que impregna el universo cercano. Crédito: Yannick Bahé

El equipo del profesor Gregory Rudnick en la Universidad de Kansas está investigando la evolución de las galaxias y sus procesos de formación de estrellas, financiado por una importante subvención de la NSF. El estudio explora el impacto de diversos entornos cósmicos en las galaxias, involucrando a estudiantes en programas de investigación y educación secundaria.

Investigadores de la Universidad de Kansas esperan comprender mejor los mecanismos intrincados detrás de la evolución de las galaxias, que viajan a través de una "red cósmica" de diferentes entornos durante su vida útil.

Gregory Rudnick, profesor de física y astronomía en KU, lidera un equipo que recientemente obtuvo una subvención de $375,000 de la Fundación Nacional de Ciencias para estudiar "el contenido de gas y las propiedades de formación de estrellas de las galaxias" que se alteran dependiendo de dónde se estén moviendo a través del cosmos.

"El objetivo principal de este proyecto es comprender el impacto de los factores ambientales en la transformación de las galaxias", dijo Rudnick. "En el universo, las galaxias se distribuyen de manera no uniforme caracterizada por densidades variables. Estas galaxias se agrupan en grandes cúmulos, que comprenden cientos a miles de galaxias, así como en grupos más pequeños, que consisten en decenas a cientos de galaxias".

Además, las galaxias pueden formar parte de estructuras filamentosas alargadas o pueden residir en un estado aislado en regiones de baja densidad del universo, dijo.

Los esfuerzos anteriores se centraron principalmente en comparar las galaxias en cúmulos y grupos con las de las regiones de menor densidad del universo, llamadas "el campo". Estos estudios descuidaron la autopista de filamentos que conecta las regiones más densas. El equipo de Rudnick considerará todo el rango dinámico de densidades en el universo centrándose en cómo las galaxias reaccionan al entorno de los filamentos que los canalizan hacia grupos galácticos y cúmulos de galaxias, alterando la evolución de las galaxias en el camino.

"Las galaxias siguen un camino hacia estos filamentos, experimentando un entorno denso por primera vez antes de avanzar hacia grupos y cúmulos", dijo Rudnick. "Estudiar las galaxias en los filamentos nos permite examinar los encuentros iniciales de las galaxias con entornos densos. La mayoría de las galaxias que ingresan a los 'centros urbanos' de los cúmulos lo hacen a lo largo de estas 'superautopistas', con un número mínimo tomando rutas rurales que los llevan a los cúmulos y grupos sin interactuar mucho con su entorno. Mientras que los filamentos son similares a las autopistas interestatales, estas rutas menos transitadas hacia regiones densas son similares a la analogía de conducir en carreteras rurales en Kansas para acceder a los límites de la ciudad. Las galaxias pueden existir en filamentos o estar en grupos que se encuentran en filamentos como cuentas en un hilo. De hecho, la mayoría de las galaxias en el universo existen dentro de grupos. Por lo tanto, con nuestro estudio obtendremos simultáneamente información sobre el inicio de los efectos ambientales en las galaxias y sobre cómo se comportan las galaxias en las regiones donde son más comunes, filamentos y grupos".

Un enfoque clave del estudio será cómo las condiciones dentro de estos filamentos, campos, grupos y cúmulos de galaxias alteran el "ciclo de bariones" de los gases dentro y alrededor de las galaxias. Cada vecindario cósmico cambia cómo se comporta el gas en y alrededor de las galaxias e incluso puede afectar al gas molecular más denso a partir del cual se forman las estrellas. Las perturbaciones de este ciclo de bariones pueden impulsar o dificultar la nueva producción de estrellas. Recientemente, un informe federal de la comunidad astronómica para establecer metas de investigación astronómica para la década de 2020, conocido como el estudio decadal Astro2020, nombró la comprensión del ciclo de bariones como un tema científico clave para la próxima década.

“The space between galaxies contains gas. Indeed, most of the atoms in the universe are in this gas, and that gas can accrete onto the galaxies,” Rudnick said. “This intergalactic gas undergoes a transformation into stars, although the efficiency of this process is relatively low, with only a small percentage contributing to star formation. The majority is expelled in the form of large winds. Some of these winds exit into space, termed outflows, while others are recycled and return.

“This continuous cycle of accretion, recycling and outflows is referred to as the baryon cycle. Galaxies can be conceptualized as baryon processing engines, drawing gas from the intergalactic medium and converting some of it into stars. Stars, in turn, go supernova, producing heavier elements. Part of the gas is blown out into space, forming a galactic fountain that eventually falls back to the galaxy.”

However, Rudnick said when galaxies encounter a dense environment, they can experience a pressure caused by their passage through the surrounding gas and this pressure can in turn disrupt the baryon cycle either by actively removing gas from the galaxy or by depriving the galaxy of its future gas supply. Indeed, in the centers of clusters, galaxies can find their star-making power quenched as their gas supply is removed.

“The disruption affects the intake and expulsion of gas by galaxies, leading to alterations in their star formation processes,” he said. “While there may be a temporary increase in star formation, in nearly all cases, it eventually results in a decline in star formation.”

Rudnick’s collaborators at KU will include graduate students like Kim Conger, whose work helped shape the grant proposal, along with undergraduate researchers. His co-primary investigator Rose Finn, professor of physics and astronomy at Siena College, will also employ and train students.

The researchers will use astronomical datasets like DESI Legacy Survey, WISE, and GALEX imaging of around 14,000 galaxies. Additional new observations will be carried out by personnel at both campuses using Siena’s 0.7-m Planewave telescope to obtain new imaging of galaxies equipped with a custom filter to be purchased via the grant. KU students will be able to observe remotely with the Siena telescope, as they have already through a joint Observational Astronomy course in 2021 and 2023.

The work also will include high school students in both Kansas and New Jersey as the grant extends a program Rudnick began years ago to bring university-level astronomy coursework into secondary schools. The new grant founds a high school astronomy class affiliated with Siena College and extends the course already offered at Lawrence High School close to KU’s Lawrence campus. Rudnick’s work on this class earned him a Community Engaged Scholarship Award from KU in 2020.

“These funds will extend the high school program’s longevity through 2026,” Rudnick said. “In collaboration with funds from KU, we were able to purchase 11 MacBook Pros for the school. Given that students only have iPads, which aren’t suitable for the research activities they needed to undertake, this grant facilitated the acquisition of computers that will enable their research.”

The project now has a dedicated laptop cart for the class, enabling students to carry out their research projects, he said, and the influx of computers has allowed organizers to expand the class size.

“Previously, class sizes at the high school level were around 8 to 10 students,” Rudnick said. “Now, at the start of the year, we have 22 students. It’s a significant growth, aiming to double the class size.”